Las bases de la simulación de fluídos de Ansys

¿Qué es el número de Reynolds?

¿Alguna vez has mirado un flujo en la naturaleza, tal vez en una cascada, y te has preguntado por qué fluye suavemente? ¿O caóticamente? ¿O ambos? La respuesta radica en la magnitud relativa de las diferentes fuerzas en el flujo, que se puede representar calculando el número de Reynolds, un parámetro adimensional importante que se usa en la mecánica de fluidos para ayudar a predecir el comportamiento de los fluidos. Sin embargo, el número de Reynolds a menudo se tergiversa, lo que puede conducir a predicciones inexactas. Para comprender el número de Reynolds y su importancia, primero es necesario comprender qué es y cómo calcularlo.

Ecuación del número de Reynolds con tasa de flujo

La no dimensionalización se utiliza en varias ramas de la ciencia y la ingeniería. Reduce efectivamente el número de variables y permite correlaciones significativas de fenómenos físicos en sistemas escalables. Un ejemplo es el número de Reynolds (Re), que calcula la relación entre la fuerza de inercia y la fuerza viscosa en un flujo. Se sabe que un número de Reynolds bajo por debajo de cierto umbral provoca un flujo laminar suave ordenado sin una mezcla significativa.

El número de Reynolds se puede calcular usando la siguiente ecuación:

Donde ρ es la densidad del fluido, V caracteriza la velocidad que define el flujo, L es una longitud que caracteriza el sistema de flujo y μ es la viscosidad molecular del fluido.

Las fuerzas viscosas en un flujo laminar tienden a ser grandes en relación con la fuerza de inercia. Un aumento en el número de Reynolds hace que el flujo pase de laminar a turbulento, y se caracteriza por sus atributos inestables, aleatorios y caóticos con una variedad de estructuras de remolinos. El número de Reynolds en el que el flujo pasa de laminar a turbulento se denomina número de Reynolds crítico.

El número de Reynolds de transición se ve afectado por varios factores, como la suavidad de la superficie del flujo y la perturbación en los alrededores. Su valor no es universal. Para flujos internos con una superficie lisa, tiene un valor de aproximadamente 2.300 y para flujos externos alrededor de un obstáculo, puede llegar a 20.000.

Limitaciones del número de Reynolds

La definición e interpretación del número de Reynolds a veces es ambigua. Pueden surgir malentendidos en la definición precisa de la caracterización de las escalas de velocidad y longitud. A veces, el número de Reynolds se interpreta como la relación entre la convección del flujo y la disipación del flujo. Otras veces, se interpreta como la relación de una viscosidad turbulenta definida artificialmente sobre la viscosidad molecular.

A pesar de estas diferencias, la definición fundamental del número de Reynolds como una relación de efectos inerciales sobre difusivos es universalmente válida y es un elemento fundamental de la dinámica de fluidos computacional (CFD), con una amplia gama de aplicaciones.

¿Por qué es importante el número de Reynolds para el análisis CFD?

CFD hoy es una herramienta indispensable en el ciclo de diseño de varios productos industriales.

El número de Reynolds juega un papel importante en la comprensión del comportamiento del flujo de diferentes variantes de diseño y condiciones de operación. Un conocimiento a priori de la magnitud del número de Reynolds ayuda en la selección apropiada de modelos físicos en un estudio CFD.

Contrariamente a la percepción común, CFD usa correlaciones que representan las leyes físicas y el comportamiento en las ciencias de turbulencia, transferencia de calor, multifase y combustión. Muchas correlaciones dependen directamente del número de Reynolds. Dos ejemplos incluyen la correlación de arrastre de Schille-Naumann de una gota esférica y la correlación de transferencia de calor de Ranz y Marshall en flujos multifásicos.

Los números de Reynolds también ayudan en la interpretación de una solución CFD. Los flujos turbulentos y laminares muestran diferentes características que afectan la separación del flujo, el comportamiento de estancamiento y los atributos de arrastre y caída de presión. El conocimiento del número de Reynolds global es útil para analizar las diferentes características y comportamientos del flujo.

El número de Reynolds encuentra aplicaciones en mecánica de fluidos, como en el cálculo del factor de fricción y arrastre en flujos internos y externos. Presta valor al estudio de la hidráulica, el diseño de láminas aerodinámicas, las pruebas en túneles de viento y la ciencia del clima.

Por ejemplo, los ingenieros podrían preguntar: «¿Cómo diseñamos un avión para que sea eficiente en combustible?» Para responder a estas preguntas, los ingenieros deben comprender la mecánica de fluidos del flujo de aire alrededor de un objeto. Aquí es donde entra en juego la CFD. Los ingenieros necesitan conocer el número de Reynolds para simular con precisión el flujo de fluido.

Cuando tienes un número de Reynolds extremadamente alto, tu turbulencia es intensa y eso puede causar una cantidad de resistencia notablemente alta. Puede usar el número de Reynolds para predecir la transición de flujo laminar a turbulento y modelar diferentes situaciones para resolver el arrastre.

Un ejemplo relacionado involucra aplicaciones de ingeniería química que se ocupan de combustibles atomizados o gotas. Estos se modelan como correlaciones definidas en términos del número de Reynolds. Las gotas de combustible atomizado vuelan, se queman, se vaporizan y dan energía a un avión. Los ingenieros deben conocer el arrastre de las gotas para ver si se van a vaporizar o no y qué tan lejos se moverán en la cámara de combustión, en la cámara de combustión de la turbina de gas y en el avión.

Los números de Reynolds también se utilizan en HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado). El objetivo de ingeniería para HVAC es minimizar el uso de energía mientras se proporciona una calidad de aire interior aceptable. Para hacer esto, los ingenieros deben comprender cómo se comporta el flujo de aire a medida que se mueve a través de los conductos, alrededor de los muebles y otros objetos en una habitación. El número de Reynolds es un parámetro crítico para comprender este flujo de aire.

En resumen, el número de Reynolds es esencial para CFD porque es un bloque de construcción fundamental que se utiliza para predecir la transición de flujo laminar a turbulento, modelar diferentes situaciones de flujo y comprender cómo se comporta el flujo de aire.